(Phys.org) - I den pågående strävan efter att planera snabbare, billigare metoder för sekvensering av det mänskliga genomet, forskare vid University of Illinois i Urbana – Champaign har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt:DNA-molekyler avkänns genom att passera dem genom ett lager av förträngd grafen inbäddad i ett solid-state-membran som innehåller en nanopor (ett litet hål med ungefär 1 nm inre diameter) , ligger i ett grafen -nanoribbon (GNR). En kritisk egenskap hos det nya paradigmet är att grafens elektriska egenskaper gör att lagret kan ställas in på flera olika sätt - nämligen ändra formen på kanten, bärarkoncentration och nanoporplats - därigenom modulerar både elektrisk konduktans och extern laddningskänslighet. Forskarna fann att deras nya teknik kan upptäcka DNA -strängens rotations- och positionskonformation, och visat att ett grafenmembran med kvantpunktkontaktgeometri uppvisar större elektrisk känslighet än på med sk enhetlig fåtöljgeometri . Teamet har föreslagit en grafenbaserad fälteffekttransistorliknande enhet för DNA-avkänning.

Professor Jean-Pierre Leburton informerade Phys.org om forskningen han och hans kollegor - Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe och Klaus Schulten - dirigerade. "Simuleringar leder för närvarande experimentella insatser om detta specifika ämne - men transportmodeller baserade på densitet funktionell teori kan inte hantera ett stort antal atomer på grund av begränsade beräkningsresurser, "Berättar Leburton Phys.org , berättar om några av de utmaningar forskarna stod inför. (Densitet funktionell teori, eller DFT, är en kvantmekanisk modelleringsmetod som används inom fysik och kemi för att undersöka den elektroniska strukturen hos många kroppssystem.)

"Dessutom, "Leburton fortsätter, "dessa modeller är begränsade till solid state-system, medan vi har att göra med ett hybrid solid-liquid system. Av denna anledning, mycket förenklade och idealistiska fysiska förhållanden antas på grafen -nanoribbon. "Sådana antaganden inkluderar enhetliga GNR -bredder med perfekt fåtölj eller sicksackkanter, nanoporen placeras i mitten av grafen -nanoribbon, och frånvaro av elektrostatiska störningar från antingen den elektrolytiska lösningen eller dielektrikumet som stöder grafen -nanoribon. "I vårt tillvägagångssätt, vi använder en multiorbital tight-binding (TB) teknik som kan hantera ett mycket större antal atomer än DFT för att ta hänsyn till den icke-enhetliga GNR-bredden, dess oregelbundna kanter, och olika storlekar och positioner för nanoporen, "Leburton förklarar. (TB -tekniken använder en superposition av vågfunktioner av isolerade atomer som finns vid varje atomplats för att beräkna den elektroniska bandstrukturen för fasta ämnen.)

"Det elektroniska spektrumet som erhålls från modellen med tät bindning matas sedan in i en transportmodell baserad på en icke-jämviktig grön funktionsteknik för att beräkna den elektriska konduktansen i allmänna GNR-konfigurationer." En icke-jämvikt grön (aka Green's) funktion, eller NEGF, kan användas för att lösa en inhomogen differentialekvation med gränsvillkor på ett sätt som är ungefär analogt med användningen av Fourier -serier i lösningen av vanliga differentialekvationer. Under det senaste decenniet har NEGF -tekniker har blivit allmänt använda i företag, teknik, regering, och akademiska laboratorier för modellering av hög partiskhet, kvantelektron- och håltransport i en mängd olika material och enheter.

"En av de stora utmaningarna när det gäller att beräkna GNR -känslighet för externa laddningar härrör från dennes olika natur och ursprung, "Leburton påpekar." Specifikt, dessa är den statiska laddningen i de dielektriska materialen som stöder, eller smörgås, GNR, och - viktigast av allt - den dynamiska joniska laddningen i elektrolyten som innehåller DNA, som är i vätskefas. "För att åtgärda detta, forskarna använde en teknik i flera skalor, där GNR och DNA simuleras atomistiskt (med en tättbindande teknik och molekylär dynamik, medan elektrolyt och dielektrikum behandlas som kontinuummedia. "Den förra simuleras som en inneboende halvledare med stor dielektrisk konstant och ett pseudobandsgap i närvaro av en självkonsistent potential, och den dielektriska laddningen modelleras genom att anta en statisk fixfördelning, "Lägger Leburton till." De inducerade potentiella variationerna på GNR- och nanoporekanterna erhålls självkonsistent genom att lösa Poisson-ekvationen, och matas in i NEGF -koden för att beräkna den resulterande konduktansvariationen i GNR. "

En annan konsekvens av att systemet är flerfasigt (flytande-fast), med DNA -målet i vätskefasen, och detektorn är i fast fas, upptäckte rotations- och positionskonformationen av en DNA -sträng inuti nanoporen. "Ur en beräkningssynpunkt, Leburton noterar, "gränssnittet mellan de två faserna är extremt utmanande, för å ena sidan, programvara är specifik för någon av dessa materiefaser, medan å andra sidan, när det gäller tvåfassystem, dom är, såsom nämnts, begränsad till ett mycket litet antal - några hundra - atomer. "

Genom att visa att ett grafenmembran med kvantpunktskontaktgeometri uppvisar större elektrisk känslighet än en enhetlig fåtöljgeometri, Leburton säger att den största utmaningen ligger i möjligheten att simulera godtyckliga GNR -former vid atomupplösning, vilket-återigen på grund av att traditionella densitetsfunktionella teorimetoder är begränsade till bara några hundra atomer-leder till oförmåga att bedöma långdistanseffekter inducerade av GNR-geometri.

Sammanfattningsvis, teamet tog itu med alla dessa beräkningsutmaningar genom att använda:

• ett tättbindande tillvägagångssätt som kan hantera större antal atomer, vilket är nödvändigt för att bedöma konduktansförändringarna i GNR med icke-enhetlig form som orsakas av externa laddningar
• ett mångsidigt tillvägagångssätt för att hantera hybridbifassystemet, där GNR och DNA modelleras av atomistisk programvara, medan elektrolyten och omgivande material behandlas med självkonsistenta halvledarekvationer inom Boltzmann-Poisson-formalismen (en differentialekvation som beskriver elektrostatiska interaktioner mellan molekyler i joniska lösningar)

Leburton expanderar på papprets föreslagna membrandesign som innehåller en elektrisk grind i en konfiguration som liknar en fälteffekttransistor för en grafenbaserad DNA-avkänningsanordning. "Närvaron av en grind på eller under membranet gör det möjligt att justera GNR -konduktansen i den optimala elektriska känslighetsregimen, som annars helt och hållet kommer att bestämmas av två faktorer:GNR -oregelbundna kanter som introducerar okontrollerbara kvantmekaniska gränsförhållanden på transversella vågfunktioner hos laddningsbärare som producerar oönskad spridning som påverkar konduktansen; och GNR:s inneboende och okontrollerbara dopning av p-typ till följd av exponering för vatten, och den parasitiska negativa laddningen i det dielektriska stödet eller isoleringen av GNR. "

Går vidare, Leburton säger att för att styra det elektrostatiska landskapet i nanoporen, membranet kan innehålla ytterligare grafenlager, eller andra tvådimensionella material, ansluten till spänningskällor. Dessa ytterligare elektroder kommer att ha det dubbla syftet att styra DNA -molekylens laterala och vertikala rörelse under dess translokation genom nanoporen. Genom att göra det, forskarna räknar med att minska skakan och tandtråd på grund av termisk rörelse av vattenmolekyler och joner i lösningen, och därigenom förbättra identifieringen av varje nukleotid när den passerar framför det detekterande grafenskiktet.

"En av huvuddragen i vår modell var att anta att DNA:t passerar genom nanoporen stelt, "Leburton fortsätter." Bortsett från att förbättra vårt mångsidiga tillvägagångssätt, nästa steg i vår forskning kommer att bestå av att implementera vår beräkningsmodell genom att inkludera DNA:s termiska rörelse genom molekylär dynamisk simulering; närhetseffekterna av dielektrikum som smälter in det detekterande grafenskiktet; portens effekt på GNR -konduktansen för förbättrade detekteringsprestanda; de elektrostatiska effekterna av ytterligare kontrollerande elektroder på DNA:s molekylära dynamik; och bestämma den optimala membranutformningen för hög sekvensering. "

När det gäller andra områden utanför genomik som kan ha nytta av deras studie, Leburton säger, deras forskning kommer också att bidra till utvecklingen av nya miniatyriserade bioelektroniska enheter med ett brett spektrum av tillämpningar inom personlig medicin. "Verkligen, "illustrerar han, "om membran i fast tillstånd kan drivas elektroniskt, man kan tänka sig att de utför liknande funktioner som bioceller, men med elektrisk stimulering, kontroll och detektering. Detta skulle öppna dörren till nya metoder inom bärbar in situ bioanalys utan behov av kostsam och tidskrävande laboratorieanalys. I ett mer allmänt sammanhang, "avslutar han, "samspelet mellan biologi och nanoelektronik på molekylär nivå - med möjlighet att manipulera biologisk information med nanoskala elektroniska enheter - öppnar nya horisonter inom informationsteknik genom att dra fördel av den biologiska förmågan att lagra enorm mängd information, å ena sidan, och halvledarteknikens förmåga att bearbeta den snabbt, tillförlitligt och till låg kostnad, på den andra."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.